超聲波流量計(jì)及其他流量計(jì)的發(fā)展簡介 十三

超聲波流量計(jì)幾種常用的測量方法是為了滿足各種介質(zhì)測量的需要，幾百年來人們根據(jù)不同的測量原理，研究開發(fā)制造出了數(shù)十種不同類型的流量計(jì)，大致分為容積式、速度式、差壓式、面積式、質(zhì)量式等。各種類型的流量計(jì)量原理、結(jié)構(gòu)不同既有獨(dú)到之處又存在局限性。為達(dá)到較好的測量效果，需要針對(duì)不同的測量領(lǐng)域，不同的測量介質(zhì)、不同的工作范圍，選擇不同種類、不同型號(hào)的流量計(jì)。工業(yè)計(jì)量中常用的幾種氣體流量計(jì)有：

（1）差壓式流量計(jì)      

差壓式流量計(jì)是以伯努利方程和流體連續(xù)性方程為依據(jù)，根據(jù)節(jié)流原理，當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)（如標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、經(jīng)典文丘利嘴、文丘利噴嘴等），在其前后產(chǎn)生壓差，此差壓值與該流量的平方成正比。在差壓式流量計(jì)中，因標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置差壓流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、研究最充分、已標(biāo)準(zhǔn)化而得到最廣泛的應(yīng)用。孔板流量計(jì)理論流量計(jì)算公式為：

式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；c為流出系數(shù)，無量鋼；β=d/D，無量鋼；d為工況下孔板內(nèi)徑，mm；D 為工況下上游管道內(nèi)徑，mm；ε為可膨脹系數(shù)，無量鋼；Δp為孔板前后的差壓值，Pa；ρ1 為工況下流體的密度，kg/m3。

對(duì)于天然氣而言，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣積流量的實(shí)用計(jì)算公式為：

式中，qn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣體積流量，m3/s；As 為秒計(jì)量系數(shù)，視采用計(jì)量單位而定，此式As=3.1794×10-6；c為流出系數(shù)；E 為漸近速度系數(shù)；d為工況下孔板內(nèi)徑，mm；FG為相對(duì)密度系數(shù)，ε為可膨脹系數(shù)；FZ 為超壓縮因子；FT 為流動(dòng)濕度系數(shù)；p1 為孔板上游側(cè)取壓孔氣流絕對(duì)靜壓，MPa；Δp為氣流流經(jīng)孔板時(shí)產(chǎn)生的差壓，Pa。

差壓式流量計(jì)一般由節(jié)流裝置（節(jié)流件、測量管、直管段、流動(dòng)調(diào)整器、取壓管路）和差壓計(jì)組成，對(duì)工況變化、準(zhǔn)確度要求高的場合則需配置壓力計(jì)（傳感器或變送器）、溫度計(jì)（傳感器或變送器）流量計(jì)算機(jī)，組分不穩(wěn)定時(shí)還需要配置在線密度計(jì)（或色譜儀）等。

（2）速度式流量計(jì)

速度式流量計(jì)是以直接測量封閉管道中滿管流動(dòng)速度為原理的一類流量計(jì)。工業(yè)應(yīng)用中主要有：

（3）渦輪流量計(jì)：當(dāng)流體流經(jīng)渦輪流量傳感器時(shí)，在流體推力作用下渦輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值，檢測線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的電脈沖信號(hào)。在一定的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，該電脈沖信號(hào)與流經(jīng)渦輪流量傳感器處流體的體積流量成正比。渦輪流量計(jì)的理論流量方程為：

式中 n為渦輪轉(zhuǎn)速；qv為體積流量；A為流體物性（密度、粘度等），渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)（渦輪傾角、渦輪直徑、流道截面積等）有關(guān)的參數(shù)；B為與渦輪頂隙、流體流速分布有關(guān)的系數(shù)；C為與摩擦力矩有關(guān)的系數(shù)。

（4）渦街流量計(jì)：在流體中安放非流線型旋渦發(fā)生體，流體在旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地分離釋放出兩列規(guī)則的交替排列的旋渦渦街。在一定的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，旋渦的分離頻率與流經(jīng)渦街流量傳感器處流體的體積流量成正比。渦街流量計(jì)的理論流量方程為：

式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；D 為表體通徑，mm；M 為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面積之比；d 為旋渦發(fā)生體迎流面寬度，mm；f 為旋渦的發(fā)生頻率，Hz；Sr 為斯特勞哈爾數(shù)，無量綱。

（5）旋進(jìn)渦輪流量計(jì)：當(dāng)流體通過螺旋形導(dǎo)流葉片組成的起旋器后，流體被強(qiáng)迫圍繞中心線強(qiáng)烈地旋轉(zhuǎn)形成旋渦輪，通過擴(kuò)大管時(shí)旋渦中心沿一錐形螺旋形進(jìn)動(dòng)。在一定的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，旋渦流的進(jìn)動(dòng)頻率與流經(jīng)旋進(jìn)渦流量傳感器處流體的體積流量成正比。旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的理論流量方程為：

式中，qf 為工況下的體積流量，m3/s；f 為旋渦頻率，Hz；K 為流量計(jì)儀表系數(shù)，P/m3(p為脈沖數(shù))。

（6）時(shí)差式超聲波流量計(jì)：當(dāng)超聲波穿過流動(dòng)的流體時(shí)，在同一傳播距離內(nèi)，其沿順流方向和沿逆流方向的傳播速度則不同。在較寬的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，該時(shí)差與被測流體在管道中的體積流量（平均流速）成正比。超聲波流量計(jì)的流量方程式為：

式中，qf 為工況下的體積流量，m3/s；V 為流體通過超聲換能器皿1、2 之間傳播途徑上的聲道長度，m；L為超聲波在換能器1、2之間傳播途徑上的聲道長度，m；X 為傳播途徑上的軸向分量，m；t1 為超聲波順流傳播的時(shí)間，s；t2 為超聲波逆流傳播的時(shí)間，s。

速度式氣體流量計(jì)一般由流量傳感器和顯示儀組成，對(duì)溫度和壓力變化的場合則需配置壓力計(jì)（傳感器或變送器）、溫度計(jì)（傳感器或變送器）、流量積算儀（溫壓補(bǔ)償）或流量計(jì)算機(jī)（溫壓及壓縮因子補(bǔ)償）；對(duì)準(zhǔn)確度要求更高的場合（如貿(mào)易天然氣），則另配置在線色譜儀連續(xù)分析混合氣體的組分或物性值計(jì)算壓縮因子、密度、發(fā)熱量等。

（7）容積式流量計(jì)

在容積式流量計(jì)的內(nèi)部，有一構(gòu)成固定的大空間和一組將該空間分割成若干個(gè)已知容積的小空間的旋轉(zhuǎn)體，如腰輪、皮膜、轉(zhuǎn)筒、刮板、橢圓齒輪、活塞、螺桿等。旋轉(zhuǎn)體在流體壓差的作用下連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷地將流體從已知容積的小空間中排出。根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)，即可求出流體流過的體積量。容積式流量計(jì)的理論流量計(jì)算公式：

式中，qf 為工況下的體積流量，m3/s；n 為旋轉(zhuǎn)體的流速，周/s；V 為旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一周所排流體的體積，m3/周。

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，容積式流量計(jì)的體積流量計(jì)算公式與速度流量計(jì)相同。氣體容積式流量計(jì)屬機(jī)械式儀表，一般由測量體和積算器組成，對(duì)溫度和壓力變化的場合則需配置壓力計(jì)（傳感器或變送器）、溫度計(jì)（傳感器或變送器）、流量積算儀（溫壓補(bǔ)償）或流量計(jì)算機(jī)（溫壓及壓縮因子補(bǔ)償）。